마일드 하이브리드 전기자동차용 복합형 에너지 저장시스템의 효율 및 수명 개선에 관한 연구 = (A) study on efficiency and cycle life improvement of hybrid energy storage systems for mild hybrid electric vehicles

국문 초록 (Abstract)

고유가 시대의 도래와 기후변화 협약에 따른 온실가스 저감 노력 등의 일환으로 화석연료의 소비를 줄일 수 있는 대표적인 환경 친화적 자동차인 하이브리드 자동차의 도입이 미국, 일본 등을 중심으로 꾸준히 증가하고 있다. 1997년 일본 도요다 자동차에서 최초로 하이브리드 자동차를 시장에 선보인 이후, 세계적인 환경규제 및 환경친화적인 자동차에 대한 시장의 요구에 효과적으로 대응하기 위하여 다양한 형태의 하이브리드 전기자동차에 대한 개발이 진행되어 왔다. 이 중 가격대비 성능 측면에서 상대적인 강점을 가지는 마일드 타입의 하이브리드 시스템은 Idle Stop-start, Launch Assist 또는 Power Boost, 회생제동 (Regenerative Braking) 등의 기능을 채용하여, 2002년 일본 도요타에서 Crown 3.0 모델에 세계 최초로 적용되어 판매되기 시작하였다. 이어서 2004년 미국에서 GM이 Sierra와 Silverado 모델에 마일드 하이브리드 시스템이 적용되었고, 2006년에는 Saturn VUE 모델로 확대 적용되어 판매되었다.
하이브리드 전기자동차는 구동 동력원으로 내연기관과 함께 배터리의 전기에너지 사용하는 구조를 갖고 있으며, 이에 따라 보다 효율적인 차량 운용 및 연비 개선을 위해서는 구동장치에 전기에너지를 공급하거나 혹은 발전장치로부터 생성된 에너지의 저장을 담당하는 에너지 저장시스템을 적절히 구성되는 것이 중요하게 되었다. 즉, 하이브리드 전기자동차의 연비 및 주행 성능은 에너지 저장장치의 성능 및 효율과 직접적인 상관관계가 있기 때문에 구성된 하이브리드 시스템에 적합한 에너지 저장장치의 선정과 구성이 요구된다.
따라서 Idle Stop-start, Launch Assist, 회생제동 등의 기능을 갖는 마일드 하이브리드 전기자동차에서도 우수한 출력 및 효율 특성을 가지며, 빈번한 대 전류 충•방전 조건 하에서도 사이클 수명 및 사용기간을 보장할 수 있는 에너지 저장장치가 요구되고 있다.
현재 시장에 판매되고 있는 하이브리드 전기자동차의 에너지 저장장치에는 대부분 니켈-금속수소화물 배터리 (Ni-MH Battery, Nickel-Metal Hydride Battery)가 사용되고 있으나, 마일드 하이브리드 시스템의 경우는 상대적으로 가격 경쟁력이 있고 안정성이 우수한 납산 배터리 (Lead-acid Battery)가 활용되고 있다. 마일드 하이브리드 시스템은 초기 차량 비용 상승을 최소화하면서도 Idle Stop-start 나 회생제동과 같이 상대적으로 연비개선에 기여하는 효과가 큰 기능을 주로 수행하도록 설계된 시스템이기 때문에, 에너지 저장장치로 경제성이 우수한 납산 배터리가 채용되고 있는 것이다. 그러나 납산 배터리는 대전류 충•방전에 따른 수명 저하 문제, 낮은 운용 효율 및 저온시동 능력 등에 대해 개선될 필요성이 꾸준히 제기되어 왔다. 이러한 납산 배터리 사용에 따른 문제들을 해결하기 위한 다양한 방안이 지속적으로 연구되어 왔으며, 특히 밀폐형 납산 배터리 (VRLA, Valve Regulated Lead Acid)의 수명 특성 개선에 대한 연구와 울트라커패시터를 활용하여 에너지 저장의 수명 및 효율을 개선하는 방안들에 대한 연구들이 꾸준히 진행되고 있다.
본 논문에서는 마일드 하이브리드 전기자동차에 적용 가능한 에너지 저장장치로 밀폐형 납산 배터리와 울트라커패시터 모듈을 사용하고, 차량의 운행 상황이나 배터리와 울트라커패시터 모듈의 상태 등에 따라 두 에너지 저장장치를 선택적으로 사용할 수 있는 구조의 복합형 에너지 저장시스템을 구성하였다. 또한 제안된 복합형 에너지 저장시스템이 기존 에너지 저장장치가 지녔던 성능 및 수명 특성, 저온 시동 특성 등의 문제를 개선할 수 있도록 성능개선을 위한 최적 알고리즘을 제안하였다. 제안된 성능개선 알고리즘이 적용된 에너지 관리장치를 개발하여 복합형 에너지 저장시스템에 적용하였으며, 실제 차량의 운행 상황을 모사할 수 있는 충방전 평가 벤치를 구축하고 정립된 절차에 따른 성능평가 시험을 수행하였다.
수행한 성능평가 결과로부터 제안한 성능개선 알고리즘을 갖는 복합형 에너지 저장시스템이 마일드 하이브리드 전기자동차의 에너지 저장장치로 적용 시, 수명 및 효율 특성 등에 개선 효과가 있음을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 초록 ----------------------------------------------- i
• 목차 ----------------------------------------------- v
• List of Tables -------------------------------------- viii
• List of Figures -------------------------------------- xi
• 제 1장 서론 ---------------------------------------- 1
• 1.1 연구 배경 --------------------------------------- 2
• 1.1.1 하이브리드 전기자동차의 도입 배경 및 전망 ------ 2
• 1.1.2 하이브리드 전기자동차의 특징 ------------------ 8
• 1.1.3 하이브리드 전기자동차의 분류 ------------------ 11
• 1.2 연구 목적 --------------------------------------- 14
• 1.3 논문의 구성 -------------------------------------- 17
• 제 2장 마일드 하이브리드 전기자동차와 에너지 저장시스템-19
• 2.1 마일드 하이브리드 전기자동차 --------------------- 20
• 2.1.1 마일드 하이브리드 시스템의 도입배경 ------------ 20
• 2.1.2 마일드 하이브리드 시스템의 구성 ---------------- 23
• 2.2 마일드 하이브리드 전기자동차용 에너지 저장장치 --- 26
• 2.2.1 마일드 하이브리드용 에너지 저장장치 ------------ 26
• 2.2.2 납산 배터리의 특성 ---------------------------- 29
• 2.2.3 울트라커패시터의 특성 ------------------------- 33
• 2.3 마일드 하이브리드 시스템용 복합형 에너지 저장시스템 36
• 2.3.1 복합형 에너지 저장시스템의 필요성 ------------- 36
• 2.3.2 복합형 에너지 저장시스템의 구성 ---------------- 39
• 제 3장 복합형 에너지 저장시스템 ---------------------- 47
• 3.1 복합형 에너지 저장시스템의 구성 ------------------ 48
• 3.1.1 제안된 복합형 에너지 저장시스템의 구성 -------- 48
• 3.1.2 제안된 복합형 에너지 저장시스템의 구성 요소 -- 52
• 가) 밀폐형 납산 배터리 ----------------------------- 52
• 나) 울트라커패시터 ------------------------------- 55
• 다) 에너지 관리장치 ------------------------------- 57
• 3.2 복합형 에너지 저장시스템의 특성 시험 ------------- 70
• 3.2.1 납산 배터리의 특성 시험 ------------------------ 70
• 가) 용량 시험 ------------------------------------- 70
• 나) 잔존용량별 개방전압 시험 ---------------------- 72
• 3.2.2 울트라커패시터 모듈의 특성 시험 ---------------- 76
• 가) 용량 시험 ------------------------------------- 76
• 나) 잔존용량별 개방전압 시험 ----------------------- 79
• 다) 자기방전 시험 --------------------------------- 82
• 라) 직류 직렬 등가저항 측정 시험 ------------------- 84
• 3.2.3 에너지 관리장치의 특성 시험 -------------------- 87
• 가) 전압 검지시험 --------------------------------- 87
• 나) 전류 검지시험 --------------------------------- 90
• 다) 온도 검지시험 --------------------------------- 93
• 제 4장 복합형 에너지 저장시스템의 성능개선 ----------- 96
• 4.1 복합형 에너지 저장시스템의 운용 제어 ------------- 97
• 4.1.1 복합형 에너지 저장시스템의 운용 전략 ---------- 97
• 4.1.2 에너지 관리장치 제어 알고리즘 ------------------ 101
• 4.2 에너지 저장시스템의 충전상태 파악 ---------------- 107
• 4.2.1 잔존용량 산출 알고리즘 ------------------------ 107
• 4.2.2 울트라커패시터의 잔존용량 보정 알고리즘 ------ 110
• 4.2.3 전압 및 전류 검출 ------------------------------ 125
• 4.3 복합형 에너지 저장시스템의 성능평가 시험 --------- 128
• 4.3.1 테스트 벤치 구성 ------------------------------ 128
• 4.3.2 시험 프로파일 --------------------------------- 130
• 4.3.3 효율 특성 시험 -------------------------------- 136
• 4.3.4 수명 특성 시험 -------------------------------- 149
• 4.3.5 저온 특성 시험 -------------------------------- 153
• 제 5장 결론 ------------------------------------------ 158
• 참고문헌 -------------------------------------------- 162
• Abstract -------------------------------------------- 170